具有內參比的螢光pH傳感器及其製備方法
2023-05-12 18:45:01
專利名稱：具有內參比的螢光pH傳感器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器及其製備方法，具體涉及一種具有內參比的螢光pH傳感器及製備方法。
背景技術：
pH值的測定在各類科學研究和實際應用中是很重要的，pH傳感器的研製也備受關注。目前使用最廣泛的pH傳感器是玻璃電極pH傳感器，但是其存在阻抗高、易破損，在高鹼度情況下存在「鈉誤差」等缺陷。
光纖pH傳感器針對玻璃電極pH傳感器的不足有了很大的改進，在光纖pH傳感器的研究中，由於螢光法固有的靈敏度與選擇性，螢光測量信號的豐富及設計的簡便，基於螢光原理的傳感器研究異常活躍。文獻已報導了許多螢光pH傳感器，主要是通過測量螢光強度的變化、螢光壽命的長短或兩個波長處螢光強度比率的改變來實現溶液中的pH測定。其中，基於螢光強度測量的傳感器佔多數，但它易受設備本身條件和外界環境的影響，如激發光源的波動、光纖的傳輸變化、樣品的光散射等。基於螢光壽命變化的傳感器雖不存在上述問題，但因其設備複雜、費用高，在實際應用中受到限制。隨著研究的深入，螢光比率傳感器越來越受到重視，一種是利用螢光染料能對底物產生兩個螢光強度(不同激發或發射波長處)的變化，從而消除設備本身條件和外界環境變化引起的測量誤差。然而目前這種具有雙波長的、對pH敏感的螢光染料還很少；另一種是利用兩種螢光染料，即對pH變化敏感的敏感染料和對pH變化不敏感的參比染料實現螢光比率測量。儘管已知的pH敏感染料種類豐富，但目前所報導的文獻大多局限於以螢光素類衍生物作為敏感染料。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種響應快、選擇性好、靈敏度高，用新型螢光染料製備敏感染料和參比染料的具有內參比的螢光pH傳感器。
本發明的另一目的還在於提供一種製備具有內參比的螢光pH傳感器的方法。
為解決上述問題，本發明採取以下技術方案
具有內參比的螢光pH傳感器，包括矽烷化處理過的玻片、敏感染料卟啉衍生物和參比染料苯並硫雜蒽衍生物；所述卟啉衍生物為帶有端基雙鍵的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉(TAPP)；所述苯並硫雜蒽衍生物為帶有端基雙鍵的N-甲基丙烯醯氧乙基-苯並硫雜蒽-3，4-二甲醯亞胺(MBTD)；所述TAPP與MBTD共聚在所述矽烷化處理過的玻片上。
具有內參比的螢光pH傳感器製備方法為a.將質量比為1～15∶1的敏感染料卟啉衍生物和參比染料苯並硫雜蒽衍生物溶於與參比染料摩爾比為500～1000∶1的N，N-二甲基甲醯胺中；b.往上述溶液中依次加入與參比染料摩爾比分別為400～700∶1的丙烯醯胺，300～1000∶1的甲基丙烯酸羥乙酯，50～200∶1的交聯劑三乙二醇二甲基丙烯酸酯，50～250∶1的三乙醇胺和250～400∶1光敏劑2-羥基-甲基苯基丙烷-1-酮；c.取0.10～0.20ml步驟b中最終所得溶液滴於聚四氟乙烯板上，用矽烷化的玻片蓋於其上，在紫外光下照射10～50min，光聚合後用蒸餾水衝洗玻片，室溫乾燥，製得含光極膜薄層的玻片，即製得具有內參比的螢光pH傳感器。
所述步驟a中敏感染料卟啉衍生物為帶有端基雙鍵的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉(TAPP)；所述參比染料苯並硫雜蒽衍生物為帶有端基雙鍵的N-甲基丙烯醯氧乙基-苯並硫雜蒽-3，4-二甲醯亞胺(MBTD)。
本發明所涉及的螢光pH傳感器與現有的pH傳感器相比，具有如下優點1.敏感染料TAPP和參比染料MBTD均引入端基雙鍵，使兩種染料能共聚在矽烷化處理過的玻片上，實現了同時共價固定敏感染料和參比染料的螢光pH傳感器的製備；有效防止螢光載體的流失，延長傳感器的使用壽命。
2.敏感染料TAPP無論在酸性或鹼性溶液中均發生螢光猝滅，表現出良好的pH響應，而參比染料MBTD對pH變化不敏感，螢光強度基本保持不變(圖1)。因此同時共價固定敏感染料和參比染料，用敏感染料和參比染料的螢光強度的比值作為測量信號可以更準確地反映pH的變化，避免激發光源的波動、光纖的傳輸變化、樣品的光散射等造成的測量誤差，提高測量的可靠性。
3.本發明的傳感器可用於溶液中的pH測定，且常見的無機離子和有機物不幹擾測定。傳感器的響應時間短，重現性和可逆性良好(圖2)。
圖1具有內參比的螢光pH傳感器1在通入不同pH值的Britton-Robinson(B-R)緩衝溶液時，光極膜中敏感染料TAPP與參比染料MBTD的螢光響應情況。其中縱坐標為螢光強度，橫坐標為pH。
·為光極膜中敏感染料TAPP的pH響應曲線；ο為光極模中參比染料MBTD的pH響應曲線。
pH值在2.0～11.0範圍內的B-R緩衝溶液用0.40mol1-1的磷酸、醋酸和硼酸來製備，並用0.20mol1-1的NaOH調至確定的pH；此範圍以外的，均加入2mol1-1HCl或2mol1-1NaOH調節至所需pH。
圖2具有內參比的螢光pH傳感器1在循環通入不同pH值B-R緩衝液時，光極膜中敏感染料TAPP的螢光強度隨時間的變化情況。其中縱坐標為螢光強度，橫坐標為時間；溶液的pH值分別為(a)6.50；(b)4.70；(c)3.50；(d)2.20。
圖3具有內參比的螢光pH傳感器1對pH響應的標準曲線。pH為橫坐標，敏感染料TAPP與參比染料MBTD的螢光強度比值FTAPP/FMBTD為縱坐標。
圖4具有內參比的螢光pH傳感器2對pH響應的標準曲線。pH為橫坐標，敏感染料TAPP與參比染料MBTD的螢光強度比值F』TAPP/F』MBTD為縱坐標。
具體實施例方式
實施例一1、製備具有內參比的螢光pH傳感器1a.敏感染料卟啉衍生物TAPP的合成將1.0g 5，10，15，20-四(4-羥基苯基)卟啉(合成方法參照文獻中國科學B輯1997年6月第27卷第3期)溶於20ml N，N-二甲基甲醯胺(12.98moll-1)中，加入2g碳酸鉀，2ml溴丙烯(11.56mol1-1)，100℃反應4h，冷卻，反應物倒入30ml蒸餾水中，析出晶體，粗品經中性氧化鋁柱(100～200目)層析，氯仿為淋洗液，得到產物TAPP為紫色固體。
b.參比染料苯並硫雜蒽衍生物MBTD的合成將N-羥乙基-苯並硫雜蒽-3，4-二甲醯亞胺(合成方法參照文獻J.Heterocyclic Chem.1974，11，33)0.60g溶於70ml乾燥過的N，N-二甲基甲醯胺中(乾燥方法為用氫化鈣回流乾燥4h，再減壓蒸餾，收集76℃/36mmHg餾分)，加入0.70ml三乙胺(7.20mol1-1)，在劇烈攪拌下滴加0.60ml甲基丙烯醯氯(10.50mol1-1)，室溫下繼續攪拌反應5h。反應結束後，過濾除去生成的沉澱，旋轉蒸發除去溶劑N，N-二甲基甲醯胺，然後倒入150ml蒸餾水中，過濾，120℃乾燥3h，得產物MBTD。
c.玻片的矽烷化普通玻片(直徑13mm)浸入鉻酸洗液中浸泡30min，然後依次放入體積百分數為3％的氫氟酸和體積百分數為10％的過氧化氫溶液中各浸泡20min，再用蒸餾水衝洗乾淨，將0.2ml 3-(三甲氧基矽烷基)甲基丙烯酸丙酯(4.21mol1-1)、2ml pH為3.6的醋酸-醋酸納緩衝液(0.2mol1-1)和8ml蒸餾水混合，攪拌5min，將上述玻片浸入此溶液2h，最後用蒸餾水衝洗乾淨，室溫乾燥。
d.TAPP10mg和MBTD 2mg溶於0.30ml N，N-二甲基甲醯胺中(12.98mol1-1)，依次加入200mg丙烯醯胺，0.60ml甲基丙烯酸羥乙酯(8.24mol1-1)，0.12ml交聯劑三乙氧基三甲基丙烯酸酯(3.78mol1-1)，0.10ml三乙醇胺(7.54mol1-1)，0.20ml光敏劑2-羥基-甲基苯基丙烷-1-酮(6.58mol1-1)。
e.取0.15ml上述最終所得溶液滴於乾淨的聚四氟乙烯板上，用矽烷化的玻片蓋於其上，再用紫外燈(254nm)照射20min，最後用蒸餾水衝洗，室溫乾燥，製得含光極膜薄層的玻片，即製得具有內參比的螢光pH傳感器1。
2.具有內參比的螢光pH傳感器1用於溶液pH測定螢光測量是在帶計算機數據處理系統的PerkingElmer LS55螢光儀上進行，光源為150W氙燈，檢測器為R928F紅外敏感光電倍增管。將上述所製得的螢光pH傳感器1裝入通池頂端，附有光極模薄層的一面朝下，使光極膜與樣品溶液接觸。一支雙臂光纖(直徑8mm，長度1m)一端接在螢光儀上另一端插入流通池並緊貼玻片表面。激發光源發出的輻射通過雙臂光纖的一端傳輸到流通池中照射玻片表面，並激發光極膜中的螢光物質，發射的螢光再由另一端傳輸返回到檢測器，進行測定。蠕動泵以3.0ml min-1的速度將樣品輸入流通池，樣品溶液為pH值不同的B-R緩衝液。固定激發波長422nm，發射波長656nm，測量光極膜中敏感染料TAPP的螢光強度；固定激發波長481nm，發射波長528nm，測量光極膜中參比染料MBTD的螢光強度。激發發射狹縫均為5nm。記錄不同pH值下敏感染料的螢光強度FTAPP與參比染料的螢光強度FMBTD，計算兩者的比值FTAPP/FMBTD。以pH為橫坐標，FTAPP/FMBTD為縱坐標，用SigmaPlot軟體繪圖，可得到傳感器1對pH響應的標準曲線，如圖3所示，在pH1.5～5.0範圍內，FTAPP/FMBTD與pH呈現良好的線性關係FTAPP/FMBTD＝-0.1151+0.1901pH(R＝0.9972，pH1.5～5.0)3.具有內參比的螢光pH傳感器1用於人工合成水樣的pH測定
人工水樣為含有Pb2+，Hg2+，Cd2+，Cu2+，Cl-，SO42-，NO3-等於擾物的溶液。將人工合成水樣通入流通池，按上述步驟2中的過程進行螢光強度測量，用標準曲線法(圖3)測定其pH值。其結果與用pH玻璃電極所測結果一致，表1顯示了兩種方法的測定結果。
表1
a三次測量的平均值；b標準偏差實施例二1.製備具有內參比的螢光pH傳感器2a.按照實施例一步驟1中所述方法合成敏感染料TAPP和參比染料MBTD 。
b.按照實施例一步驟1中所述方法對玻片表面進行矽烷化處理。
c.TAPP15mg和MBTD1.5mg溶於0.40ml N，N-二甲基甲醯胺中(12.98mol1-1)，依次加入250mg丙烯醯胺，0.40ml甲基丙烯酸羥乙酯(8.24mol1-1)，0.15ml交聯劑三乙氧基三甲基丙烯酸酯(3.78mol1-1)，0.20ml三乙醇胺(7.54mol1-1)，0.25ml光敏劑2-羥基-甲基苯基丙烷-1-酮(6.58mol1-1)。
d.取0.20ml上述所得溶液滴於乾淨的聚四氟乙烯板上，用矽烷化的玻片蓋於其上，再用紫外燈(254nm)照射25min，最後用蒸餾水衝洗，室溫乾燥，製得含光極膜薄層的玻片，即製得具有內參比的螢光pH傳感器2。
2.繪製具有內參比的螢光pH傳感器2對pH響應的標準曲線將上述所製得的螢光pH傳感器2裝入通池頂端，按實施例一步驟2中的過程進行螢光強度測量，記錄不同pH值下光極模中敏感染料的螢光強度F』TAPP與參比染料的螢光強度F』MBTD，計算兩者的比值F』TAPP/F』MBTD。以pH為橫坐標，F』TAPP/F』MBTD為縱坐標，用SigmaPlot軟體繪圖，可得到傳感器2對pH響應的標準曲線，如圖4所示，在pH1.5～5.0範圍內，F』TAPP/F』MBTD與pH呈現良好的線性關係F』TAPP/F』MBTD＝0.02390+0.2062pH(R＝0.9964，pH1.5-5.0)3.具有內參比的螢光pH傳感器2用於廢水樣的pH測定廢水樣為pH值不同的酸性廢水。將廢水樣通入流通池，按實施例一步驟2中的過程進行螢光強度測量，用標準曲線法(圖4)測定其pH值。其結果與用pH玻璃電極所測結果一致，表2顯示了兩種方法的測定結果。
表2
a三次測量的平均值；b標準偏差
權利要求
1.一種具有內參比的螢光pH傳感器，包括矽烷化處理過的玻片其特徵在於，還包括敏感染料卟啉衍生物和參比染料苯並硫雜蒽衍生物。
2.根據權利要求1所述具有內參比的螢光pH傳感器，其特徵在於，所述卟啉衍生物為帶有端基雙鍵的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉。
3.根據權利要求1或2所述具有內參比的螢光pH傳感器，其特徵在於，所述苯並硫雜蒽衍生物為帶有端基雙鍵的N-甲基丙烯醯氧乙基-苯並硫雜蒽-3，4-二甲醯亞胺。
4.根據權利要求1或2所述具有內參比的螢光pH傳感器，其特徵在於，所述帶有端基雙鍵的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉與帶有端基雙鍵的N-甲基丙烯醯氧乙基-苯並硫雜蒽-3，4-二甲醯亞胺共聚在所述矽烷化處理過的玻片上。
5.一種製備權利要求1所述具有內參比的螢光pH傳感器的方法，其特徵在於包括以下步驟a.將質量比為1～15∶1的敏感染料卟啉衍生物和參比染料苯並硫雜蒽衍生物溶於與參比染料摩爾比為500～1000∶1的N，N-二甲基甲醯胺中；b.往上述溶液中依次加入與參比染料摩爾比分別為400～700∶1的丙烯醯胺，300～1000∶1的甲基丙烯酸羥乙酯，50～200∶1的三乙二醇二甲基丙烯酸酯，50～250∶1的三乙醇胺和250～400∶1的2-羥基-甲基苯基丙烷-1-酮；c.取適量步驟b中最終所得溶液滴於聚四氟乙烯板上，用矽烷化的玻片蓋於其上，在紫外光下照射10～50min，光聚合後用蒸餾水衝洗玻片，室溫乾燥，製得含光極膜薄層的玻片，即製得具有內參比的螢光pH傳感器。
6.根據權利要求5所述製備具有內參比的螢光pH傳感器的方法，其特徵在於，所述步驟a中敏感染料卟啉衍生物為帶有端基雙鍵的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉。
7.根據權利要求5或6所述製備具有內參比的螢光pH傳感器的方法，其特徵在於，所述參比染料苯並硫雜蒽衍生物為帶有端基雙鍵的N-甲基丙烯醯氧乙基-苯並硫雜蒽-3，4-二甲醯亞胺。
全文摘要
一種具有內參比的螢光pH傳感器，包括矽烷化處理過的玻片，還包括卟啉衍生物和苯並硫雜蒽衍生物。一種製備所述具有內參比的螢光pH傳感器的方法包括以下步驟將卟啉衍生物和苯並硫雜蒽衍生物溶於N，N－二甲基甲醯胺中，依次加入丙烯醯胺，甲基丙烯酸羥乙酯，三乙二醇二甲基丙烯酸酯，三乙醇胺和2－羥基－甲基苯基丙烷－1－酮，取適量最終所得溶液滴於聚四氟乙烯板上，用矽烷化的玻片蓋於其上，紫外光下照射，光聚合後用蒸餾水衝洗玻片，室溫乾燥，即製得具有內參比的螢光pH傳感器。本發明的優點為實現了同時共價固定敏感染料和參比染料的螢光pH傳感器的製備，測量信號可以更準確地反映pH的變化。
文檔編號G01N21/64GK1959381SQ20061003257
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月13日 優先權日2006年11月13日
發明者桂小琴, 牛承崗, 曾光明, 李慧霞, 嶽琳, 朱建華 申請人:湖南大學